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color del océano

En el sentido de las agujas del reloj desde arriba a la izquierda: agua de color azul profundo, agua azul verdosa, imagen satelital de las Bahamas donde la luz del sol se refleja en la arena y los arrecifes en las aguas poco profundas, imagen satelital de la floración de fitoplancton en el Océano Austral , imagen satelital de las Islas Pribilof que muestran matices de color de diferentes fitoplancton e imagen de satélite del Mar Báltico con floraciones de fitoplancton .

El color del océano es la rama de la óptica oceánica que estudia específicamente el color del agua y la información que se puede obtener al observar las variaciones de color. El color del océano , aunque principalmente azul, en realidad varía del azul al verde o incluso al amarillo, marrón o rojo en algunos casos. [1] Este campo de estudio se desarrolló junto con la teledetección del agua , por lo que se centra principalmente en cómo se miden el color mediante instrumentos (como los sensores de satélites y aviones).

La mayor parte del océano es de color azul, pero en algunos lugares el océano es de color azul verdoso, verde o incluso de amarillo a marrón. [2] El color azul del océano es el resultado de varios factores. En primer lugar, el agua absorbe preferentemente la luz roja, lo que significa que la luz azul permanece y se refleja fuera del agua. La luz roja se absorbe más fácilmente y, por lo tanto, no alcanza grandes profundidades, generalmente a menos de 50 metros (164 pies). En comparación, la luz azul puede penetrar hasta 200 metros (656 pies). [3] En segundo lugar, las moléculas de agua y las partículas muy pequeñas en el agua del océano dispersan preferentemente la luz azul más que la luz de otros colores. La luz azul que se dispersa por el agua y las partículas diminutas ocurre incluso en el agua más clara del océano [4] y es similar a la luz azul que se dispersa en el cielo .

Las principales sustancias que afectan el color del océano incluyen la materia orgánica disuelta , el fitoplancton vivo con pigmentos de clorofila y partículas no vivas como la nieve marina y los sedimentos minerales . [5] La clorofila se puede medir mediante observaciones satelitales y sirve como indicador de la productividad de los océanos ( productividad primaria marina ) en las aguas superficiales. En imágenes satelitales compuestas a largo plazo, las regiones con alta productividad oceánica aparecen en colores amarillo y verde porque contienen más fitoplancton (verde) , mientras que las áreas de baja productividad aparecen en azul.

Descripción general

El color del océano depende de cómo interactúa la luz con los materiales del agua. Cuando la luz entra en el agua, puede ser absorbida (la luz se agota, el agua se vuelve "más oscura"), [6] dispersada (la luz rebota en diferentes direcciones, el agua permanece "brillante"), [7] o una combinación de ambos. La forma en que la absorción y dispersión bajo el agua varían espectralmente, o a lo largo del espectro de energía de luz visible a infrarroja (alrededor de longitudes de onda de 400 nm a 2000 nm) determina qué "color" aparecerá el agua ante un sensor.

Tipos de agua por color

La mayoría de los océanos del mundo aparecen azules porque la luz que sale del agua es más brillante (tiene el valor de reflectancia más alto) en la parte azul del espectro de luz visible. Más cerca de la tierra, las aguas costeras suelen tener un aspecto verde. Las aguas verdes aparecen de esta manera porque las algas y las sustancias disueltas absorben la luz en las partes azul y roja del espectro.

Océanos azules

Una ola de color azul profundo vista desde la superficie del agua cerca de Encinitas, California, Estados Unidos. El Océano Pacífico contiene algunas de las aguas de color azul más profundo del mundo.

La razón por la que las aguas de mar abierto parecen azules es que son muy claras, algo similares al agua pura, y tienen pocos materiales presentes o sólo partículas muy pequeñas. El agua pura absorbe la luz roja con profundidad. [8] A medida que se absorbe la luz roja, permanece la luz azul. Grandes cantidades de agua pura aparecen de color azul (incluso en una piscina con fondo blanco o en un balde pintado de blanco [9] ). Las sustancias que se encuentran en las aguas oceánicas abiertas de color azul son a menudo partículas muy pequeñas que dispersan la luz, especialmente en las longitudes de onda azules. [10] La dispersión de la luz en el agua azul es similar a la dispersión en la atmósfera que hace que el cielo parezca azul (llamada dispersión de Rayleigh ). [11] Algunos lagos de agua clara de color azul parecen azules por las mismas razones, como el lago Tahoe en los Estados Unidos. [12]

Océanos verdes

Las algas marinas microscópicas, llamadas fitoplancton , absorben la luz en las longitudes de onda azul y roja, debido a sus pigmentos específicos como la clorofila-a . En consecuencia, con más y más fitoplancton en el agua, el color del agua cambia hacia la parte verde del espectro. [13] [14]

La sustancia absorbente de luz más extendida en los océanos es el pigmento clorofila, que el fitoplancton utiliza para producir carbono mediante la fotosíntesis . La clorofila, un pigmento verde, hace que el fitoplancton absorba preferentemente las porciones roja y azul del espectro de luz. A medida que se absorben la luz azul y roja, permanece la luz verde. Las regiones oceánicas con altas concentraciones de fitoplancton tienen tonos de agua de azul a verde dependiendo de la cantidad y el tipo de fitoplancton. [15] [16]

Las aguas verdes también pueden tener una combinación de fitoplancton, sustancias disueltas y sedimentos, sin dejar de parecer verdes. Esto sucede a menudo en estuarios, aguas costeras y aguas interiores, que se denominan aguas "ópticamente complejas" porque múltiples sustancias diferentes crean el color verde que ve el sensor.

Océanos de color amarillo a marrón

Imagen satelital Sentinel-2 de la confluencia del río Negro y el río Solimões , Brasil. El Río Negro en la parte superior izquierda de la imagen está oscuro debido a las altas concentraciones de materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) . El río Solimões en la parte inferior y derecha de la imagen es más brillante debido a la gran cantidad de sedimentos .

El agua del océano aparece amarilla o marrón cuando hay grandes cantidades de sustancias disueltas , sedimentos o ambos tipos de material.

El agua puede tener un aspecto amarillo o marrón debido a la gran cantidad de sustancias disueltas. [17] [18] La materia disuelta o gelbstoff (que significa sustancia amarilla) aparece oscura pero relativamente transparente, muy parecida al té. Las sustancias disueltas absorben la luz azul con más fuerza que la luz de otros colores. La materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) a menudo proviene de materia vegetal en descomposición en la tierra o en marismas , o en mar abierto del fitoplancton marino que exuda sustancias disueltas de sus células. [19]

En las zonas costeras, la escorrentía de los ríos y la resuspensión de arena y limo del fondo añaden sedimentos a las aguas superficiales. Más sedimentos pueden hacer que las aguas parezcan más verdes, amarillas o marrones porque las partículas de sedimentos dispersan la energía luminosa en todos los colores. [20] En grandes cantidades, las partículas minerales como los sedimentos hacen que el agua se vuelva marrón si hay un evento de carga masiva de sedimentos, [21] con un aspecto brillante y opaco (no transparente), muy parecido a la leche con chocolate.

océanos rojos

Marea roja frente al muelle del Instituto Scripps de Oceanografía, La Jolla, California, Estados Unidos.

El agua del océano puede aparecer roja si hay una proliferación de un tipo específico de fitoplancton que causa una decoloración de la superficie del mar. [22] Estos eventos se denominan " mareas rojas ". Sin embargo, no todas las mareas rojas son dañinas y sólo se consideran floraciones de algas dañinas si el tipo de plancton involucrado contiene toxinas peligrosas. [23] El color rojo proviene de los pigmentos de los tipos específicos de fitoplancton que causan la floración. Algunos ejemplos son Karenia brevis en el Golfo de México, [24] Alexandrium fundyense en el Golfo de Maine, [25] Margalefadinium polykroides y Alexandrium monilatum en la Bahía de Chesapeake, [26] y Mesodinium rubrum en Long Island Sound. [27]

Teledetección del color del océano

La teledetección del color del océano también se conoce como radiometría del color del océano . Sensores remotos en satélites, aviones y drones miden el espectro de la energía luminosa proveniente de la superficie del agua. Los sensores que se utilizan para medir la energía luminosa procedente del agua se denominan radiómetros (o espectrómetros o espectroradiómetros ). Algunos radiómetros se utilizan en el campo en la superficie terrestre en barcos o directamente en el agua. Otros radiómetros están diseñados específicamente para aviones o misiones de satélites en órbita terrestre. Utilizando radiómetros, los científicos miden la cantidad de energía luminosa procedente del agua en todos los colores del espectro electromagnético , desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. [28] A partir de este espectro reflejado de energía luminosa, o el "color" aparente, los investigadores derivan otras variables para comprender la física y la biología de los océanos.

Las mediciones del color del océano se pueden utilizar para inferir información importante, como la biomasa de fitoplancton o las concentraciones de otros materiales vivos y no vivos. Los patrones de proliferación de algas satelitales a lo largo del tiempo, en grandes regiones hasta la escala del océano global, han sido fundamentales para caracterizar la variabilidad de los ecosistemas marinos . Los datos sobre el color del océano son una herramienta clave para la investigación sobre cómo responden los ecosistemas marinos al cambio climático y las perturbaciones antropogénicas. [29]

Uno de los mayores desafíos para la teledetección del color del océano es la corrección atmosférica , o eliminar la señal de color de la neblina y las nubes atmosféricas para centrarse en la señal de color del agua del océano. [30] La señal del agua misma es menos del 10% de la señal total de la luz que sale de la superficie de la Tierra. [31] [32]

Historia

Los científicos, incluida la bióloga Ellen Weaver, ayudaron a desarrollar los primeros sensores para medir la productividad del océano desde arriba, comenzando con sensores montados en aviones.

La gente ha escrito sobre el color del océano durante muchos siglos, incluido el famoso "mar oscuro como el vino" del antiguo poeta griego Homero. Las mediciones científicas del color del océano se remontan a la invención del disco de Secchi en Italia a mediados del siglo XIX para estudiar la transparencia y claridad del mar. [33] [34]

En las décadas de 1960 y 1970 se lograron logros importantes que condujeron a las modernas campañas de teledetección del color del océano. El libro Oceanografía óptica de Nils Gunnar Jerlov , publicado en 1968, [35] fue un punto de partida para muchos investigadores en las décadas siguientes. En 1970, George Clarke publicó la primera evidencia de que la concentración de clorofila podía estimarse basándose en la luz verde versus la azul proveniente del agua, medida desde un avión sobre George's Bank . [36] En la década de 1970, el científico Howard Gordon y su estudiante graduado George Maul relacionaron imágenes de la primera misión Landsat con el color del océano. [37] [38] Casi al mismo tiempo, un grupo de investigadores, incluidos John Arvesen, la Dra. Ellen Weaver y el explorador Jacques Cousteau , comenzaron a desarrollar sensores para medir la productividad del océano comenzando con un sensor aéreo. [39] [40]

La teledetección del color del océano desde el espacio comenzó en 1978 con el lanzamiento exitoso del escáner de color de la zona costera (CZCS) de la NASA en el satélite Nimbus-7. A pesar de que CZCS era una misión experimental destinada a durar sólo un año como prueba de concepto, el sensor continuó generando una valiosa serie temporal de datos en sitios de prueba seleccionados hasta principios de 1986. Pasaron diez años antes de que otras fuentes de color del océano Los datos estuvieron disponibles con el lanzamiento de otros sensores, y en particular el sensor de campo de visión amplio de visión del mar ( SeaWiFS ) en 1997 a bordo del satélite SeaStar de la NASA . [41] Los sensores posteriores han incluido el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) de la NASA a bordo de los satélites Aqua y Terra, y el espectrómetro de imágenes de resolución media ( MERIS ) de la ESA a bordo de su satélite ambiental Envisat . Recientemente se han lanzado varios nuevos sensores de color del océano, incluido el monitor de color del océano Índico (OCM-2) a bordo del satélite Oceansat-2 de ISRO y el generador de imágenes geoestacionario en color del océano coreano (GOCI), que es el primer sensor de color del océano. que se lanzará en un satélite geoestacionario , y el conjunto de radiómetros de imágenes infrarrojas visibles ( VIIRS ) a bordo de la central nuclear Suomi de la NASA. Varias agencias espaciales planean instalar más sensores de color del océano durante la próxima década, incluidas imágenes hiperespectrales . [42]

Aplicaciones

La radiometría del color del océano y sus productos derivados también se consideran variables climáticas esenciales fundamentales según lo define el Sistema Global de Observación del Clima . [43] Los conjuntos de datos sobre el color de los océanos proporcionan la única perspectiva sinóptica global de la producción primaria en los océanos, lo que brinda información sobre el papel de los océanos del mundo en el ciclo global del carbono . Los datos sobre el color del océano ayudan a los investigadores a mapear información relevante para la sociedad, como la calidad del agua , los peligros para la salud humana, como la proliferación de algas nocivas , la batimetría y la producción primaria y los tipos de hábitat que afectan a las pesquerías de importancia comercial . [44]

La clorofila como sustituto del fitoplancton

Compuestos de concentraciones de clorofila en los océanos durante toda la temporada . Los colores violeta y azul representan concentraciones más bajas de clorofila. Los naranjas y los rojos representan concentraciones más altas de clorofila. Estas diferencias indican áreas con menor o mayor biomasa de fitoplancton .
Concentración de clorofila-a obtenida por satélite (mg m −3 ) desde julio de 2002 hasta marzo de 2017. Esta visualización se obtuvo utilizando datos del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) a bordo del satélite Aqua de la NASA . La concentración de clorofila a es un indicador de la abundancia de fitoplancton . Los tonos más oscuros de verde indican más clorofila y más fitoplancton, mientras que los tonos de azul indican menos clorofila y menos fitoplancton. [45]

La información más utilizada procedente de la teledetección del color del océano es la concentración de clorofila a obtenida por satélite. Los investigadores calculan la concentración de clorofila-a obtenida por satélite desde el espacio basándose en la premisa central de que cuanto más fitoplancton hay en el agua, más verde es. [46]

El fitoplancton son algas microscópicas, productores primarios marinos que convierten la luz solar en energía química que sustenta la red alimentaria del océano. Al igual que las plantas terrestres, el fitoplancton crea oxígeno para otras formas de vida en la Tierra. La teledetección del color de los océanos desde el lanzamiento de SeaWiFS en 1997 ha permitido a los científicos cartografiar el fitoplancton –y así modelar la producción primaria– en todos los océanos del mundo durante muchas décadas, [47] lo que supone un importante avance en el conocimiento del sistema terrestre.

Otras aplicaciones

Los sedimentos suspendidos se pueden ver en imágenes de satélite después de eventos en los que los fuertes vientos provocan que las olas agiten el fondo marino, como en esta imagen del lado occidental de la Península de Yucatán . El agua de color marrón oscuro muestra de dónde provienen los sedimentos de la tierra a través de los ríos, mientras que el agua de color más claro muestra de dónde provienen los sedimentos de las arenas calcáreas de carbonato de calcio del fondo marino.

Más allá de la clorofila, algunos ejemplos de algunas de las formas en que se utilizan los datos del color del océano incluyen:

Floraciones de algas nocivas

Los investigadores utilizan datos del color del océano junto con datos meteorológicos y muestreos de campo para pronosticar el desarrollo y movimiento de floraciones de algas nocivas (comúnmente conocidas como "mareas rojas", aunque los dos términos no son exactamente iguales). Por ejemplo, los datos de MODIS se han utilizado para mapear las floraciones de Karenia brevis en el Golfo de México. [48]

Sedimentos en suspensión

Los investigadores utilizan datos del color del océano para mapear la extensión de las columnas de los ríos y documentar la resuspensión de sedimentos del fondo marino impulsada por el viento. Por ejemplo, después de los huracanes Katrina y Rita en el Golfo de México, se utilizó la teledetección del color del océano para mapear los efectos en alta mar. [49]

Sensores

Los sensores utilizados para medir el color del océano son instrumentos que miden la luz en múltiples longitudes de onda (multiespectral) o un espectro continuo de colores (hiperespectral), generalmente espectroradiómetros o radiómetros ópticos. Los sensores de color del océano pueden montarse en satélites o aviones, o utilizarse en la superficie de la Tierra.

Sensores satelitales

Los siguientes sensores son sensores satelitales en órbita terrestre. El mismo sensor se puede montar en varios satélites para brindar más cobertura a lo largo del tiempo (también conocido como mayor resolución temporal). Por ejemplo, el sensor MODIS está montado en los satélites Aqua y Terra. Además, el sensor VIIRS está montado en los satélites Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP o SNPP) y Joint Polar Satellite System (JPSS-1, ahora conocido como NOAA-20).

Sensores aéreos

Los siguientes sensores fueron diseñados para medir el color del océano desde aviones para teledetección aérea:

Sensores in situ

Un investigador utiliza un espectrorradiómetro para medir la energía luminosa que irradia un estanque de hielo derretido en el mar de Chukchi en el verano de 2011.

En la superficie de la Tierra, como en buques de investigación , en el agua usando boyas o en muelles y torres, los sensores de color del océano toman medidas que luego se utilizan para calibrar y validar los datos de los sensores satelitales. La calibración y la validación son dos tipos de " verificación sobre el terreno " que se realizan de forma independiente. La calibración es el ajuste de los datos sin procesar del sensor para que coincidan con valores conocidos, como el brillo de la luna o un valor de reflexión conocido en la superficie de la Tierra. La calibración, realizada durante toda la vida útil de cualquier sensor, es especialmente crítica en la primera parte de cualquier misión satelital, cuando el sensor se desarrolla, se lanza y comienza su primera recopilación de datos sin procesar. La validación es la comparación independiente de las mediciones realizadas in situ con las mediciones realizadas desde un satélite o un sensor aéreo. [59] La calibración y validación de satélites mantienen la calidad de los datos satelitales sobre el color del océano. [60] [61] Hay muchos tipos de sensores in situ, y los diferentes tipos a menudo se comparan en campañas de campo dedicadas o experimentos de laboratorio llamados "round robins". Los datos in situ se archivan en bibliotecas de datos como el archivo de datos SeaBASS . Algunos ejemplos de sensores in situ (o redes de muchos sensores) utilizados para calibrar o validar datos satelitales son:

Ver también

Referencias

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